ФСА процесса обжига клинкера в печах, по мокрому способу

Московский  Государственный Строительный Университет

Кафедра автоматизации  инженерно-строительных систем

КУРСОВАЯ  РАБОТА

По курсу: автоматизация технологических процессов и производств

«ФСА процесса обжига клинкера в печах, по мокрому способу»

Студент: ***

Преподаватель: Егоров А.В.

МГСУ 2012г.

Для своей  работы мы выбираем вращающуюся печь, соответственно все дальнейшие описания и определения будут относиться именно к ней.

Определения:

Обжиг — высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения (стабилизации) их фазового и химического состава и(или) повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости.

Основным  агрегатом любого цементного завода является цементообжигательная печь. По принципу работы печи делятся на вращающиеся, с циклонными теплообменниками, с кальцинаторной решёткой и другие.

Цементный клинкер – продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси надлежащего состава и содержащий, главным образом, высокоосновные силикаты и(или) (высоко)низкоосновные алюминаты кальция. Является промежуточным продуктом при производстве цемента.

Цементный клинкер  получают в основном из мокрых сырьевых смесей (шламов) с влажностью от 30% до 50% во вращающихся печах, не имеющих запечных теплоутилизаторов. К преимуществам мокрого способа обжига относятся простота приготовления сырьевой смеси, легкость достижения однородности ее состава, сравнительно небольшие энергозатраты и достаточно гигиенические условия труда (отсутствие запыленности). Недостатком мокрого способа является повышенный расход топлива.

Барабанная  печь (Вращающаяся печь)

Барабанная  печь, барабанная вращающаяся печь, трубчатая печь — промышленная печь для обжига и сушки сырья и  полупродуктов.

Барабанная  вращательная печь имеет форму горизонтально  расположенного цилиндра диаметром 1,2…5 м и длиной 18…200 м. Печь медленно вращается вокруг оси. Назначение —  для физико-химической обработки  сыпучих материалов. Как правило топливо сжигается внутри печи. Менее распространены косвенный нагрев (через стенку муфеля) и комбинированный нагрев обрабатываемого материала. Во вращающейся печи сжигаются пылевидное, твёрдое, жидкое или газообразное топливо. Как правило природный газ. Как правило в печи греющие газы движутся навстречу обрабатываемому материалу (противоток). Менее распространены печи с параллельным током газов и материала.

Конструкция печи:

• кожух (барабан)
• опорные ролики
• открытая зубчатая передача: венец, шестерня
• привод: электродвигатель, редуктор
• топочная головка (горячая)
• газоотводящая головка
• механический питатель
• горелка
• система газоочистки
• холодильник

Печь состоит  из горизонтально расположенного цилиндрического  кожуха (барабана), футерованного изнутри  огнеупорным кирпичом, опорных устройств  и привода, головок — топочной и газоотводящей и холодильника. Барабанные печи могут иметь перегребающие  и теплообменные устройства, а  также специальные устройства для  подачи твердых и газообразных материалов в отдельные зоны печи через отверстия  в кожухе. Кожух обычно глухой по всей длине, сварен из листового железа толщиной 10...30 мм. Иногда диаметр изменяют по длине печи. При большом диаметре кожух усиливают кольцами жесткости. Изнутри кожух футерован шамотным, магнезитовым или высокоглиноземистым  кирпичом. Снаружи кожуха проложен теплоизоляционный слой. Толщина  футеровки обычно 200...300 мм, толщина  теплоизоляции 10...30 мм. Снаружи кожуха закреплены опорные стальные бандажи и большая венцовая шестерня. Бандажи опираются на ролики. Печь со скоростью 0,6...2 об/мин вращается. Мощность электродвигателя 40...1000 кВт.

Описание  технологического процесса:

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу:

Печь как  тепловой агрегат условно можно  разбить на несколько технологических  зон. Исходное сырье — шлам поступает  в первую зону — зону сушки —  с начальной влажностью 30-50 %. Часть этой зоны обычно оснащается цепными завесами различной конфигурации для интенсификации процесса сушки. По мере нагревания и испарения влаги происходит загустевание шлама, начинается его гранулирование, и в следующую зону — зону подогрева — материал входит с температурой     100-150 °С, а выходит с температурой 500-600 °С. Начиная с 600°С происходит слабый, а с повышением температуры до       900-1000 °С усиливающийся до максимума процесс разложения карбоната кальция с выделением углекислого газа и образованием свободной извести (СаО_св). Одновременно в этой зоне — зоне декарбонизации — происходит и образование кристаллов двухкальциевого силиката. Зона декарбонизации является основной теплопотребляющей зоной в печи.

Дальнейшее  увеличение температуры материала  до 1300°С происходит в зоне экзотермических реакций за счет выделения тепла при реакциях образования двухкальциевого силиката, алюминатов и алюмоферритов кальция. На этой стадии процесса появляется жидкая фаза, часть материала расплавляется и происходит образование трехкальциевого силиката.

Наиболее  ответственной частью печи с точки  зрения управления является зона спекания, где при температурах 1350-1450 °С завершается процесс клинкерообразования. Результат обжига определяется количеством неусвоенной окиси кальция (СаОсв) и кристаллической структурой полученного клинкера.

При правильном выборе режима работы зоны спекания и  последующей его стабилизации можно  снизить расход тепла на обжиг  при сохранении заданного качества клинкера. Пройдя зону спекания, в зоне охлаждения клинкер снижает свою температуру до 1100-1000 °С, а затем окончательно охлаждается в холодильнике. Вторичный воздух, отбирающий тепло от клинкера (200-250 ккал/кг клинкера), входит в печь с температурой 600-800°С. Таков технологический процесс обжига клинкера. 

Параметры температуры  по зонам:

Сводный тепловой баланс вращающейся печи, при обжиге клинкера

Система уравнений, описывающая тепловые процессы, протекающие во вращающейся печи:

Обоснование необходимости автоматизации процесса обжига клинкера цемента во вращающееся  печи:

Эффективность работы вращающихся печей цементной  промышленности в немалой степени  зависит от наладки технологического оборудования, процесса обжига клинкера и режима эксплуатации печей при  выпуске клинкера высокой активности, минимальном расходе топлива  и высоких технико-экономических  показателях.

Комплекс  процессов, происходящих во вращающихся  печах под воздействием тепловой энергии, весьма обширен и сложен. Процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена  и физико-химических превращений  сырьевой смеси тесно связаны  между собой и каждый из них  имеет решающее значение. Они и определяют основные мероприятия при проведении наладки: подбор оптимального химического и минералогического состава клинкера в сырьевой смеси, обеспечивающего необходимые условия для высокоэффективной работы печи и стабильности процесса; выбор рациональной конструкции теплообменных устройств для интенсивного теплообмена и снижения потерь теплоты; отработка рационального режима сжигания топлива, обеспечивающего экономное его расходование и интенсивность высокотемпературных процессов; выбор оптимальных режимных параметров и отработка методов управления процессами.

Производительность  печей, удельный расход топлива зависят  не только от конструктивных и технологических  исходных характеристик, но и от режима работы. Форсирование режима до известного предела повышает производительность, но увеличивает унос материала, температуру  отходящих газов, удельный расход теплоты. Дальнейшее форсирование может привести к сокращению производительности из-за большого уноса при одновременном резком увеличении удельного расхода теплоты. Уменьшение нагрузок печей против оптимальных также расстраивает их работу: происходит смещение зон, пересушка материала и т.д.

Выбор и поддержание  оптимальных нормативов, показателей  и параметров технологического процесса оказывает решающее влияние на получение  продукции заданного качества, а  также на экономику предприятия.

Обжиг клинкера - самый сложный, важный и энергоемкий  передел. Общие энергозатраты на производство цемента распределяются примерно следующим образом: подготовка сырья - 10%, обжиг клинкера - 79%, помол цемента - 10%, прочие - 1%. Поэтому наладка процесса обжига, снижение энергозатрат, прежде всего затрат топлива приобретают исключительное значение.

В основе наладочных работ лежит анализ процессов, происходящих в печи при многочисленных изменяющихся факторах. Не следует полагать, что  проведение обычных наладочных работ  обеспечит полную оптимизацию процесса обжига клинкера. Каждый оптимальный  режим может быть рассчитан только с применением средств вычислительной техники на основании достаточно обширной и точной технической и  химико-технологической информации, что требует специальных исследований.

Совершенствование организаций и методов наладки, испытаний технологического оборудования, безусловно, способствует повышению  технической культуры его эксплуатации, повышению эффективности цементного производства и ускорению освоения проектных мощностей предприятий.

Интенсивное развитие цементной промышленности в последние годы, внедрение печных установок большой единичной  мощности, вовлечение в производственный процесс сырьевых материалов более  низкого качества ставят перед цементным  производством новые проблемы.

Специальные средства контроля для процесса обжига клинкера, по мокрому способу.

1. Газоанализирующие устройства. Для оценки нормального хода процесса обжига клинкера в печи и экономичности работы используется устройства, измеряющие состав отходящих газов: содержание кислорода О₂, углекислого газа СО₂ и горючих компонентов СО.

2. Устройство контроля положения зоны сушки. Задача повышения эффективности работы цементообжигательных печей и управления ими в оптимальном режиме (с минимумом потерь или максимумом производительности) требует создания принципиально новых устройств контроля работы отдельных зон печи. Одним из таких устройств является устройство контроля положения зоны сушки.

3. Устройство контроля температуры материала внутри печи. Среди основных параметров, характеризующих ход процесса обжига в различных зонах печи, главенствующее место принадлежит температуре материала. Этот параметр может контролироваться с помощью серийно выпускаемых термопар градуировок ХК и ХА. В качестве вторичных приборов, измеряющих термоэлектродвижущие силы, развиваемые термопарами, используются электронные потенциометры типа ПСР с классом точности 0,5. В соответствии с внедряемой сейчас в нашей стране Государственной системой приборов (ГСП) потенциометры ПСР заменяются приборами типа КСП.

4. Цветовой пирометр типа. Температура в зоне спекания вращающихся печей не может быть измерена с помощью термопар. Этому мешают высокая температура материала в рассматриваемой зоне (около 1450 °С) и газа (свыше 1800 °С), химическое и механическое воздействия материала на чехол термопары, переменная во времени толщина обмазки и другие факторы. Поэтому для измерения температуры в зоне спекания применяют бесконтактные методы пирометрии, к которым относятся радиационный, яркостный и цветовой. Их основные преимущества: отсутствие контакта с контролируемой средой, значительно меньшая инерционность измерения и др.

5. Устройство гранулометрического состава клинкера. Применяется для контроля качества клинкера.

Возмущающие воздействия

Возмущения, действующие на объект управления, можно условно разделить  на две группы. Первая группа – это  возмущения, действующие на горелку (температуры воздуха, подаваемого  в горелку) Вторая группа – это  вариация параметров состава сырца и его влажности, изменение темпа загрузки материала в печь, нестабильность атмосферы среды, окружающей печь.

Основные возмущающие – качество поступаемого исходного сырья, его влажность и температура, качество топлива и т.д.

Стоит заметить, что эффект от всех возмущающих воздействий можно  сократить благодаря автоматизации  процесса

Возможные неисправности  в работе печи и способы их устранения

Требования  к автоматизированным системам контроля и управления

В условиях непрерывности технологического процесса, высокой производительности печных агрегатов система технического, технологического и теплотехнического  контроля должна способствовать получению  необходимой информации для обеспечения  сохранности и работоспособности  оборудования, управления технологическим  процессом, контроля и соблюдения параметров производства продукции заданного  качества.

Контроль  параметров, характеризующих состояние  процесса и режим работы печных установок, а также их измерение при проведении испытаний - один из важнейших в деле технологической наладки исходя из задач как поиска и установления параметров оптимального режима, так  и поддержания их при последующей  эксплуатации в выбранном оптимальном  режиме.

При наладке  вращающихся печей всегда следует  учитывать, что неправильные показания  приборов контроля, искаженная информация о состоянии процесса не только бесполезны, но и вредны, так как вызывают неправильные действия оператора, а следовательно, не позволяют обеспечить оптимальный режим работы печной установки и получить максимальную производительность. Поэтому все приборы должны быть исправны и показания их должны соответствовать фактическим значениям измеряемых параметров.

Общая задача управления вращающейся печью заключается  в нормализации теплового режима и поддержания этого режима в  процессе работы с помощью средств  контроля и управления.

Управление  печью и всеми вспомогательными механизмами должно быть сосредоточено  у рабочего места оператора. Система  автоматического управления технологическим процессом должна удовлетворять следующим требованиям:

максимальное  отклонение регулируемой величины, 

статическая ошибка 

время регулирования, 

Выбранные средства автоматизации:

(расположение  см. чертёж)

1. Для контроля уровня в шлампитателе и поступления шлама в печь устанавливаем датчик «INNOLevel» (LE 1-1)
2. Расход шлама измеряем расходомером электромагнитный Rosemount серии 8700. (FE 2-1)
3. Температуру отходящих газов и их состав измеряем термомагнитным газоанализатор типа МН-5130, при помощи газозабоного устройства УГ-5. (QTE 3-1)
4. Для измерения температуры в зоне прогрева, ставим термопару ХК 130 (ТЕ 4-1)
5. Положение в зоне сушки контролируем при помощи устройство контроля положения зоны сушки. (GE 5-1)
6. Температура материала между теплообменниками измеряем термопарой ХА-1392 (ТЕ 4-2)
7. Температура материала в зоне кальцинирования измеряем пирометром спектрального типа «Спектропир 4-01» (ТЕ 4-3)
8. Температура материала в зоне спекания пирометром «Спектропир 11». (ТЕ 4-4)
9. Датчик расхода газообразного топлива Rosemount серии 8700 (FE 2-1)
10. Температура выходящего клинкера измеряем термопарой ХК 130. Температуру газообразного топлива: термопарой ХА. (ТЕ 4-5)
11. В общей магистрали SHD-I 2,5 (PE-1)
12. Датчик анализа кристалического состава клинкера на выходе (QE-1)
13. Датчик давления газа до диафрагмы SHD-I 2,5 (PE-2)
14. Контроллер ОВЕН ПЛК160

Описание  работы контроллера

Все датчики подключаются к аналоговых входам контроллера, а все исполнительные механизмы регулирующих органов  подключаются к аналоговым выходам  соответственно.

1. Сигнал с датчика уровня позиции 1-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная функция и предусмотрена технологическая, предупредительная сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.
2. Сигнал с датчика расхода позиции 2-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции. Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-2, который отвечает за подачу шлама в печь.
3. Сигнал с датчика тепло-газоанализации позиции 3-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции, также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.  Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-1, который отвечает за подачу кислорода в печь при помощи шибера.
4. Сигнал с датчика температуры позиции 4-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров. 
5. Сигнал с датчика положения зоны сушки позиции 5-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная функция.
6. Сигнал с датчика температуры позиции 4-2 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров. 
7. Сигнал с датчика температуры позиции 4-3 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.  Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-3, который отвечает за подачу газообразного топлива в топку печи при помощи вентиля.
8. Сигнал с датчика температуры позиции 4-4 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.  Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-3, который отвечает за подачу газообразного топлива в топку печи при помощи вентиля.
9. Сигнал с датчика расхода позиции 2-2 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная и регистрирующая функции.
10. Сигнал с датчика давления позиции 6-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции. Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-4, который отвечает подачу газа непосредственно в печь.
11. Сигнал с датчика давления позиции 6-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная, регистрирующая и регулирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.   Затем сигнал проходит цифро-аналоговый преобразователь и попадает в исполнительный механизм регулирующего органа М-4, который отвечает подачу газа непосредственно в печь.
12. Сигнал с датчика анализа состава клинкера позиции 7-1 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная и регистрирующая. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.  
13. Сигнал с датчика давления позиции 6-2 проходит аналогово-цифровой преобразователь контроллера и попадает в микропроцессорное устройство, где выполняется показательная и регистрирующая функции. Также предусмотрена технологическая, предупредительная, сигнализация в случае отклонения от заданных параметров.  

Принцип действия

Установлено, что стабилизацию подготовки материала (подсушки шлама) целесообразно производить  путем перераспределения тепла  по зонам печи, что достигается  изменением количества подаваемого  воздуха.

Поскольку назначение данной системы - стабилизация влажности материала за цепной завесой (считая по ходу материала), а косвенный  показатель влажности - температура  отходящих газов То.г. или температура материала в зоне подготовки Тз.п, то регулятор и должен поддерживать постоянным этот параметр.

Составной частью системы регулирования является хромель-копелевая термопара, которая  воспринимает колебания температуры  отходящих газов и вырабатывает соответствующий сигнал управления, изменяющий с помощью исполнительного  механизма положение шибера дымососа, регулирующего подачу вторичного воздуха.

Контроллер ОВЕН ПЛК160

Вычислительные  ресурсы: В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы  при отсутствии операционной системы:

• высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 180МГц компании Atmel;
• большой объем оперативной памяти - 8МБ;
• большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ;
• объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ;
• время цикла по умолчанию составляет 1мс при 50 логических операциях, при отсутствии сетевого обмена.

Широкие возможности самодиагностики  контроллера. Встроенный аккумулятор, позволяющий «пережидать» пропадание питания - выполнять программу при  пропадании питания, и переводить выходные элементы в «безопасное состояние». Время «пережидания» настраивается пользователем при создании проекта. Встроенные часы реального времени. Возможность создавать и сохранять архивы на Flash контроллера.

Условия эксплуатации

• Расширенный температурный рабочий диапазон окружающего воздуха: от минус 10 °С до
• +50 °С
• Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования без агрессивных паров и газов
• Верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25 °С и более низких температурах без конденсации влаги
• Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа

Контроллеры выполнены в  компактном DIN-реечном корпусе. Габаритные и установочные размеры отличаются в зависимости от модификации, и  приведены в конце раздела.

Расширение количества точек  ввода\вывода осуществляется путем  подключения внешних модулей  ввода\вывода по любому из встроенных интерфейсов.

Два варианта питания для  каждого контроллера:

• переменный ток: (90-265)В, (47...63)Гц;
• постоянный ток: (18-29)В.

отребляемая мощность до 10Вт.

Описание  термопар и метода измерения

Термоэлектрический  метод измерения температур основан  на зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термоэлектрические  преобразователи (ТП), или термопары, широко применяются для измерения  температур в различных областях техники и в научных исследованиях. В системах инженерного оборудования зданий ТП используются для измерения температуры воздуха

и жидкости в воздуховодах, помещениях и трубопроводах, для измерения температуры поверхности, для определения распределения  параметров воздуха по сечению воздуховодов, на выходе из воздухоохладителей и  воздухонагревателей,  для определения  температуры в точке, при измерении  температуры в труднодоступных  местах, в терморегуляторах, а также  при проведении экспериментальных  исследований.

Термоэлектрические  преобразователи удовлетворяют  многим требованиям идеального преобразователя. Они просты, надежны в работе, недороги, не требуют посторонних  источников электроэнергии и состоят, по существу, из двух термоэлектродов. Их конструктивные формы позволяют  обеспечить малый показатель тепловой инерции. Термоэлектрические преобразователи  представляют собой идеальные приборы  для измерения разностей температур. Если материалы термоэлементов однородны, изотропны и не претерпевают физических или химических изменений, то зависимость  термоЭДС ТП от температуры хорошо воспроизводима.

Если два  проводника из разнородных металлических  материалов а и Ь соединены  концами в замкнутый контур и  места соединения находятся при  разных температурах, то в контуре  возникает термоЭДС. Одно из мест соединения, помещаемое в среду с измеряемой температурой, является рабочим концом ТП, второе, находящееся при постоянной известной температуре, является свободным концом ТП. Термоэлектродвижущая сила складывается из суммы скачков потенциала в контактах (спаях) ТП и суммы изменений потенциала, вызванных диффузией электронов, и зависит от рода проводников и их температуры.